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6.4 – Tecnologias de Redes Alargadas

Redes de ComunicaçõesCapítulo 6.4

1Informática de Gestão ESTiG/IPB

• X.25

• Frame Relay

• ATM

Redes de ComunicaçõesTecnologias de redes alargadas


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X.25

Redes de Comunicações


• Tecnologia base das primeiras redes públicas de comutação de pacotes (ex. Telepac em Portugal)

• A recomendação X.25 do ITU-T define os protocolos na interface de acesso para estabelecer e manter as conexões entre um equipamento terminal e uma rede pública de comutação de pacotes

Redes de ComunicaçõesX.25


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• Existem três categorias de dispositivos numa rede X.25:– DTE – data terminal equipment

• Sistemas terminais (computadores, terminais) que comunicam através da rede X.25

– DCE – data circuit-terminating equipment• Dispositivos de comunicação (modems, comutadores de pacotes), fornecendo o interface

entre os DTEs e uma PSE

– PSE – packet switching exchange• Centrais comutadoras da rede de comutação de pacotes• Transportam os dados entre os DTEs através da rede X.25

Redes de ComunicaçõesDispositivos


• As sessões X.25 são estabelecidas quando um dispositivo DTE contacta outro para pedir uma sessão de comunicação– O dispositivo DTE que recebe o pedido pode aceitar ou rejeitar a

conexão– Se o pedido é aceite, os dois sistemas iniciam uma transferência

de dados full-duplex, podendo qualquer uma das partes terminar a conexão

• Um circuito virtual é uma conexão lógica criada para assegurar uma comunicação fiável entre dois dispositivos– Um circuito virtual denota a existência de um caminho lógico

bidireccional entre dois dispositivos DTEs através da rede X.25– Fisicamente, a conexão pode passar através de uma série de

nós intermédios (DCEs e PSEs)

Redes de ComunicaçõesEstabelecimento de sessão e circuitos virtuais


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• Os Circuitos Virtuais podem ser de dois tipos– Comutados (SVC - Switched Virtual Circuits)

• Conexões temporárias usadas para transferências de dados esporádicas

• Cada vez que dois dispositivos DTEs queiram comunicar, torna-se necessário estabelecer, manter e finalizar uma sessão

– Permanentes (PVC - Permanent Virtual Circuits)• Conexões estabelecidas permanentemente, usadas em

transferências de dados frequentes

• Existem uma sessão permanentemente activa (durante um período definido contratualmente entre o cliente e a concessionária de comunicações), podendo ser iniciadas as transferências de dados sem mais demoras

Redes de ComunicaçõesServiço de Circuitos Virtuais


• Vários circuitos virtuais (conexões lógicas) podem ser multiplexados num único circuito físico (conexão física)

• Os circuitos virtuais são depois desmultiplexados no final, sendo os dados encaminhados para os destinos apropriados

• Um DTE pode estabelecer até 4095 circuitos virtuais simultâneos com outros DTEs através de uma única ligação física DTE-DCE

• Cada pacote contém um campo que permite identificar a que circuito virtual pertence

Redes de ComunicaçõesMultiplexagem de Circuitos Virtuais X.25


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• Nível Físico– Interface física entre o equipamento terminal (DTE) e um equipamento de

terminação de Rede (DCE)• Nível de ligação de dados (nível trama)

– LAPB - Link Access Procedures Balanced (variante do HDLC em modo ABM)– Especifica os procedimentos para estabelecer, manter e terminar uma ligação de

dados que permite o envio fiável de tramas, sujeito a mecanismos de controlo de erros e de fluxo entre nós

• Nível de rede (nível pacote)– Oferece um Serviço de Circuitos Virtuais extremo-a-extremo– Especifica os procedimentos para estabelecer, manter e terminar circuitos virtuais e

transferir pacotes de dados nos circuitos virtuais– Protocolo X.25 PLP possui mecanismos de controlo de erros e de fluxo

Redes de ComunicaçõesProtocolos


• São muito complexas, sendo por isso bastante lentas, uma vez que têm de suportar mecanismos para assegurar a integridade da transmissão de dados e o controlo de fluxo por circuito virtual– Isto resulta numa considerável sobrecarga, pois em cada nó

intermediário, o protocolo de controlo de ligação lógica envolve a troca de tramas de dados e de confirmação

• Não havendo garantia absoluta de a rede ser capaz de cumprir esses objectivos, os sistemas terminais suportam adicionalmente protocolos de controlo de erro que, operando extremo-a-extremo, acabam por duplicar algumas funções da rede

• Velocidades de 1200 bps a 64 Kbps• Taxação em função do tempo e do volume de dados• Em desuso devido à alta relação custo/desempenho

Redes de ComunicaçõesConclusão


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Frame Relay



• Para ultrapassar as dificuldades do X.25, e aproveitando a evolução tecnológica no sentido de redes mais fiáveis e com menores erros, surgiram mais tarde as redes Frame Relay, que retiraram muita da complexidade e redundância existente nas redes X.25– Sinalização da chamada é transportada numa ligação lógica diferente da de

dados • não há necessidade de nós intermédios processarem mensagens de controlo

– Multiplexagem de CV ocorre na camada 2 • É eliminada uma camada de processamento

– Não é suportado controlo de sequência, erro e de fluxo nó a nó• Controlo é realizado fim-a-fim pelas camadas superiores

• É uma opção atractiva que compete com linhas dedicadas e com as próprias redes X.25

• A expressão Frame Relay é usada para designar serviços baseados na comutação (rápida) de tramas, isto é, unidades de dados de comprimento variável transportadas na camada de ligação de dados

Redes de ComunicaçõesFrame Relay


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• A simplificação do processo de comutação resulta de alguns factores – Eliminação de procedimentos pesados de controlo de erro e de

fluxo nos nós da rede, remetendo-os para a periferia ou para o equipamento terminal (se necessário)• Com as taxas de erro muito baixas possíveis em sistemas de

transmissão digital deixa de fazer sentido realizar controlo de erro no interior da rede

• É deixada ao equipamento terminal a responsabilidade de recuperação de erros (extremo-a-extremo), dependendo dos requisitos das aplicações (elevada fiabilidade e alguma tolerância a atrasos em aplicações de dados vs tempo de resposta crítico e alguma tolerância a perdas em aplicações com requisitos de tempo real)

• Tal simplificação torna possível comutação de alta velocidade, condição necessária para a exploração da elevada capacidade disponível em sistemas de transmissão digital

Redes de ComunicaçõesPrincípios de Funcionamento


• Existem duas categorias de dispositivos numa rede frame relay:– DTE – data terminal equipment

• Sistemas terminais (computadores, terminais) que comunicam através da rede frame relay

– DCE – data circuit-terminating equipment• Dispositivos de comunicação (normalmente comutadores de pacotes)

fornecendo serviços de relógio e comutação na rede.

Redes de ComunicaçõesDispositivos


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• Dois níveis protocolares–Nível físico - baseado na RDIS–Nível de quadro - LAPF (variante do HDLC)

• Velocidades de n x 64 Kbps• Circuitos Virtuais Comutados (SVC)• Circuitos Virtuais Permanentes (PVC)• Possibilidade de garantia de um débito

mínimo a cada SVC ou PVC através do CIR (Comitted Information Rate)

Redes de ComunicaçõesCaracterísticas


Redes de ComunicaçõesFrame-Relay vs. X.25


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• Subnível control– Funções presentes nos sistemas

terminais que incluem funções de confirmação e controlo de fluxo

• Subnível core– O núcleo do LAPF disponibiliza

um subconjunto da camada de ligação de dados e realiza outras tarefas• Delimitação de tramas e

assegura o alinhamento ao nível do octeto e a transparência

• Multiplexa e endereça os canais virtuais

• Trata a congestão

Redes de ComunicaçõesFunções do nível 2


• DLCI sup/inf: especifica o DLCI (Data LinkConnection Identifier)que pode mudar em nó

• FECN: Forward ExplicitCongestion Notification

• BECN: BackwardExplicit CongestionNotification

• DE: Discard Elegibility(se colocado a 1 →trama de “2ª classe”)

Trama LAPF – subnível core

Campo de Endereço da Trama LAPF

Redes de ComunicaçõesEstrutura da trama


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• Os circuito virtuais fornecem um caminho lógico bidireccional entre dois dispositivos DTEs através da rede de comutação de pacotes

• São identificados por um identificador de conexão de ligação de dados (DLCI – data-link connecion identifier)– Estes são normalmente atribuídos pelo fornecedor do serviço

(empresa de telecomunicações, por ex.)– Os seus valores têm apenas significado local, podendo ser

modificado à medida que a trama atravessa as várias ligações que constituem o circuito virtual

Redes de ComunicaçõesCircuitos virtuais


• Existem dois tipos de circuitos virtuais no frame relay:– Circuito virtual comutado (SVCs)

• Conexões temporárias usadas para transferências de dados esporádicas

• Cada vez que dois dispositivos DTEs queiram comunicar, torna-se necessário estabelecer, manter e finalizar uma sessão

• Uma sessão de comunicação através de um SVC consiste em quatro estados distintos:– Estabelecimento de chamada – é estabelecido um circuito virtual entre dois DTEs

– Transferência de dados – os dados são transmitidos entre os DTEs através do circuito virtual

– Inactivo – a conexão entre DTEs está activa, mas não há transferência de dados. Se um SVC ficar neste estado por um período determinado, a chamada pode ser finalizada

– Finalização de chamada – o circuito virtual entre DTEs é finalizado

– Circuito virtual permanente (PVCs)• Conexões estabelecidas permanentemente, usadas em transferências de dados

frequentes

• Os DTEs podem iniciar a transferência de dados quando necessitarem, pois está um circuito virtual permanentemente activo

• Uma sessão de comunicação através de um PVC consiste em dois estados distintos:– Transferência de dados – os dados são transmitidos entre os DTEs através do circuito virtual

– Inactivo – a conexão entre DTEs está activa, mas não há transferência de dados. A chamada não será finalizada mesmo que um PVC fique neste estado por largos períodos

Redes de ComunicaçõesCircuitos virtuais comutados e permanentes


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• O encaminhamento das tramas é baseado nos valores DLCI

• Em cada trama que chegue é analisado o campo de FCS– Quando um erro é detectado, a trama é abandonada

Redes de ComunicaçõesEncaminhamento das tramas


• Um dos aspectos principais de Frame Relay é a possibilidade de definir parâmetros para controlo de tráfego

• Cada PVC tem associado 2 parâmetros:– CIR (Commited Information Rate)

• Débito (em bps) que a rede garante suportar para um determinado Circuito Virtual

– EIR (Excess Information Rate)• Débito (em bps) que a rede pode aceitar suportar e que pode exceder o CIR (espécie de

tolerância em momentos de baixa carga na rede)

0

CIR (Committed

Information Rate)CIR + EIR (Débito

máximo possível)

Débito

actual

Capacidade do

acesso

Transmissão

garantida

Transmitir

se for

possível

Não

transmitir,

descartar tudo

Redes de ComunicaçõesControlo de tráfego em Frame Relay (1)


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• Numa rede congestionada, se um nó não consegue transmitir as tramas, fazendo com que a memória disponível nas filas de espera se esgote, torna-se necessário o descarte das novas tramas que cheguem

• Qualquer transmissão de dados que exceda a CIR está vulnerável ao descarte em caso de congestão, pois as tramas que excedem a CIR são as primeiras a serem descartadas– A CIR fornece uma forma de discriminação entre tramas, determinando quais

as que são descartadas em caso de congestão• A discriminação é indicada através do bit DE (discard eligibility) na trama LAPF

• No nó de comutação frame relay, ao chegar uma trama, pode ocorrer o seguinte:– Se a taxa a que o utilizador envia os dados é inferior ao CIR, a trama é

retransmitida

– Se a taxa é superior ao CIR, a trama é retransmitida com o bit DE activado• Isto faz com que em caso de congestão, esta trama possa ser descartada

– Se a taxa exceder o valor máximo estabelecido, então a trama é descartada de imediato

Redes de ComunicaçõesControlo de tráfego em Frame Relay (2)


• O controlo de congestão é feito com base em mecanismos de auto-disciplina e de responsabilidade conjunta:–da rede

• em melhor posição para monitorizar o grau de congestão e indicando o estado de congestão aos terminais envolvidos de modo a que estes tomem a iniciativa de reduzir o tráfego injectado

–do utilizador• em melhor posição para controlar a congestão,

limitando o fluxo de tráfego

Redes de ComunicaçõesControlo de congestão


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• Além do CIR, existem dois parâmetros adicionais, atribuídos em conexões permanentes e negociados em conexões comutadas:– Bc – commited burst size

• A quantidade máxima de dados que a rede acorda em transmitir, em condições normais, num dado intervalo de tempo T

– Be – excess burst size• A quantidade máxima de dados acima de Bc, que a rede tenta transferir, em condições normais, num

dado intervalo de tempo T– Bc= CIR * T– Be= EIR * T

Bc / CIR = Be / EIR

Redes de ComunicaçõesParâmetros adicionais


• Os bits de notificação explícita de congestão podem ser activados pela rede em resposta a uma situação de congestão nos circuitos virtuais afectados– FECN alerta para a existência de congestão na mesma direcção

da trama– BECN alerta para a existência de congestão no sentido oposto á

direcção da trama

Redes de ComunicaçõesSinalização explícita de congestão


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• Virtual Circuit (VC)– Ligação entre 2 dispositivos FR

• Permanent Virtual Circuit (PVC)– Circuito virtual predefinido (pelo operador de telecomunicações, por exemplo)

• Switched Virtual Circuit (SVC)– Circuito virtual estabelecido dinamicamente

• Data Link Connection Identifier (DLCI)– Identificador de circuito virtual

• Committed Information Rate (CIR)– Débito (em bps) que a rede aceita suportar para um determinado Circuito Virtual

• Excess Information Rate (EIR)– Débito (em bps) que a rede tenta suportar e que pode exceder o CIR

• Committed Burst (Bc)– Máxima quantidade de dados que a rede aceita transferir num intervalo de tempo T (em condições normais)

• Excess Burst Size (Be)– Máxima quantidade de dados que a rede tenta transferir num intervalo de tempo T (em condições normais) – O débito inferior a Bc + Be pode ser transmitido ou não; O débito superior a Bc + Be é descartado

• Forward Explicit Congestion Notification (FECN)– Bit activado pelo nó de comutação que detecta congestão e enviado no sentido da transmissão

• Backward Explicit Congestion Notification (BECN)– Bit activado pelo nó de comutação que detecta congestão e enviado no sentido oposto ao da transmissão

• Discard Eligible (DE) bit– activado pelo DTE ou pelo nó de comutação (se o utilizador excedeu o CIR e se é detectada congestão na rede)

Redes de ComunicaçõesTermos e definições


• Desvantagem– Não garante fiabilidade na transferência de dados

• Vantagens– Aumento da capacidade de comutação (overheads reduzidos) aumento

do débito (até 45Mbps) e redução do tempo de atraso (latência)– Combina as vantagens da comutação de circuitos (atraso reduzido) com

as vantagens da comutação de pacotes– Possibilidade de negociar CIR

• Regra simples– Se existe um problema, os dados são descartados

• a recuperação recai em protocolos de camadas superiores

• Aplicações– Interligação de LANs, aplicações que necessitam de alto débito, …– Substituto natural do X.25, nomeadamente a aplicações que requerem

Circuitos Virtuais Comutados (SVC)– Substituição de circuitos dedicados utilizando Circuitos Virtuais

Permanentes (PVC)• Redução significativa dos custos

Redes de ComunicaçõesConclusão


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• Linha de acesso 2048 kbps• CIR=1024 kbps, EIR=384 kbps, T=1s • Bc=1024000 bits, Be=384000 bits• Tramas de 6400 bytes (51200 bits)

– Caso 1: tráfego constante de 2048 kbps (40 tramas/s)– Caso 2: tráfego constante de 1408 kbps (27,5

tramas/s)

– Caso 3: tráfego constante de 1024 kbps (20 tramas/s)

Redes de ComunicaçõesControlo de tráfego em FR – Exemplo (1)


20

27,5

40

Tramas/s

enviadas

00203

07,5202

12,57,5201

Tramas/s

descartadas

Tramas/s

com DE=1

Tramas/s

com DE=0

Caso

20

27,5

40

Tramas/s

enviadas

00203

07,5202

12,57,5201

Tramas/s

descartadas

Tramas/s

com DE=1

Tramas/s

com DE=0

Caso

Redes de ComunicaçõesControlo de tráfego em FR – Exemplo (2)


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ATM

Asynchronous Transfer Mode



• Desenvolvida pela ITU-T, cenário de evolução para a B-ISDN (RDIS de banda larga)

• Destinada à utilização em LANs, MANs e WANs• Tecnologia cara quando comparada com tecnologias concorrentes• Tecnologia atraente para ambientes MAN e WAN pois:

– Utiliza de forma eficiente e dinâmica os recursos da rede– Permite a integração de tráfego de características diferentes– Permite garantir qualidade de serviço

• Versão muito simplificada de transferência em modo de pacote– não é suportado controlo de fluxo nem correcção de pacotes perdidos,

adoptando-se ainda pacotes de comprimento fixo (células) para permitir a operação a grande velocidade

• Baseada na comutação de células de 53 bytes (5 de cabeçalho + 48 de dados)– limita os atrasos de empacotamento e nas filas de espera– reduz a complexidade das filas de espera– simplifica as estruturas de comutação

Redes de ComunicaçõesConceito de ATM


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Redes de ComunicaçõesIntegração de todos os serviços numa só rede ☺


Redes de ComunicaçõesCélula ATM


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• VPI + VCI = etiqueta– Só têm significado local a um dado comutador (não têm significado extremo-a-

extremo)• Canal virtual - Virtual Channel

– canal de comunicação elementar unidireccional associado a uma conexão de circuito virtual

– permite o transporte de células ATM entre dois pontos terminais– referenciado no cabeçalho de cada célula pelo VCI - Virtual Circuit Identifier

• Caminho virtual - Virtual Path– concatenação de canais virtuais– referenciado no cabeçalho da célula pelo VPI - Virtual Path Identifier

Redes de ComunicaçõesCanais virtuais e caminhos virtuais


• Desenvolvido para facilitar a manipulação de circuitos virtuais com a mesma origem e destino

• Pode suportar até 65536 canais virtuais• Estabelecimento e manutenção de uma

comunicação exige a execução de um número considerável de operações– Estabelecimento de tabelas de encaminhamento em

todos os nós– Processamento de etiquetas– Tratamento de parâmetros de tráfego e qualidade de

serviço

Redes de ComunicaçõesCaminho virtual


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Redes de ComunicaçõesComutador ATM


Redes de ComunicaçõesEncaminhamento de células num comutador ATM


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• Paralelo entre o fluxo de informação numa rede ATM e o fluxo de veículos entre cidades

• Considerando a célula um veículo, as estradas seriam os VPs e as pistas, diferenciadas pela velocidade, os VCs– Para um carro ir da cidade A para C, pode ir directo, através de VP1 na

pista VC5 que garante alta velocidade– Um autocarro poderá usar a mesma estrada, VP1, porém uma pista

mais lenta, VC3, por exemplo• Pode haver a possibilidade de passar pela cidade B• Neste caso teria que usar uma outra estrada, VP2, e uma pista VC3,

agora rápida, se for um carro ou VC5, agora lenta, se for um autocarro

• De notar que o mesmo VCI foi usado para representar pista lenta e rápida, porém em estradas, VPs, diferentes

• Da cidade B até C, outra estrada, VP, seria usada e assim outras pistas, VCs, poderiam ser utilizadas ou não

Redes de ComunicaçõesAnalogia didáctica


• Nível Físico – Recebe e organiza as células ATM vindas da camada superior e faz transporte de

células de e para o meio físico• Nível ATM

– Endereçamento, comutação e encaminhamento de células ATM de acordo com os campos VCI e VPI do cabeçalho

• Nível AAL (ATM Adaptation Layer)– apenas existe nos sistemas terminais– esta camada cuida dos diferentes tipos de tráfego. Existem diferentes tipos de

Camada de Adaptação para diferentes tipos de tráfego devido às diferentes características de transmissão de um tráfego específico

– funções de segmentação e reassemblagem para interface com as camadas superiores

– Existem 4 AAL: AAL1, AAL2, AAL3/4 e AAL5

Redes de ComunicaçõesNíveis protocolares


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Redes de ComunicaçõesRelação entre modelos


• Sub-camada de Convergência (ConvergenceSublayer)– Dependente do serviço– Melhoria do serviço ATM para servir as aplicações

• Garantia de entrega• Multiplexagem• Integridade das mensagens

• Sub-camada de Segmentação e Reassemblagem(Segmentation And Reassembly Sublayer)– Segmentação de mensagens para a carga das células– Reunificação da carga das células nas mensagens

Redes de ComunicaçõesDivisão funcional da AAL


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• Serviços em tempo real– Constant bit rate (CBR): orientado à ligação, tráfego

síncrono (e.g. voz ou vídeo não comprimido)– Real-time variable bit rate (rt-VBR): orientado à

ligação, tráfego síncrono (e.g. voz ou vídeo comprimido)

• Serviços sem relação temporal– Non-real-time variable bit rate (nrt-VBR): orientado à

ligação, tráfego assíncrono (e.g. X.25, frame relay)– Available bit rate (ABR): orientado à ligação, tráfego

assíncrono (e.g. Web, ftp)– Unspecified bit rate (UBR): sem ligação, redes locais

(e.g. trafego LAN, mail)

Redes de ComunicaçõesClasses de serviço ATM (1)




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• Classe A – Serviço Constant Bit Rate – CBR

• serviços de voz (64Kbit/s), vídeo não comprimido e linhas alugadas para redes privadas.

– AAL1• Classe B

– Serviço Variable Bit Rate – VBR• serviços de voz e vídeo comprimidos

– AAL2• Classe C

– Serviço de Dados Orientados a Conexão• Transferência de dados orientada à conexão e geralmente aplicações de rede onde a

conexão é estabelecida antes da transferência de dados. – AAL3/4 e AAL5, ambos podem ser usados nesta classe de serviços

• Classe D– Serviço de Dados não Orientados a Conexão

• serviços de tráfego de datagramas e em geral, aplicações de rede onde nenhuma conexão é estabelecida anteriormente à transferência

– AAL3/4 e AAL5, ambos podem ser usados nesta classe de serviços



Redes de ComunicaçõesClasses de serviço e protocolos AAL


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• Vantagens:– Débitos até 622 Mbps– utilização eficiente e dinâmica dos recursos da rede– Integração de tráfego de características diferentes– adequada ao suporte de aplicações com necessidades

de QoS– adequada aos backbones das redes locais e à ligação de

servidores– adequada a ambientes WAN e MAN

• Desvantagens:– pouco adequada a LANs (custo, complexidade de

configuração e gestão )

Redes de ComunicaçõesAvaliação


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